(57)【要約】メタライゼーション部５でコーティングされた少なくとも１つのパワー半導体ダイ３と、２つの反対側の端部７１、７２を有する少なくとも１つの光導波路７とを備えるデバイス１。第１の端部７１は、少なくとも光源１１及び受光器１３に接続することができる。第２の端部７２は、メタライゼーション部５の表面５１に面して、上記表面５１に向かう光路９１及び上記表面からの光路９２を形成するように、永久的に固定されている。
2019537009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタライゼーション部でコーティングされた少なくとも１つのパワー半導体ダイと、２つの反対側の端部を有する少なくとも１つの光導波路とを備え、第１の端部は少なくとも光源及び受光器に接続することができ、第２の端部は、前記メタライゼーション部の表面に面して、該表面に向かう光路及び該表面からの光路を形成するように、永久的に固定されている、デバイス。
【請求項２】
ともに前記光導波路の前記第１の端部に接続された光源及び受光器を更に備え、少なくとも前記受光器は、プロセッサに接続することができる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
少なくとも前記受光器に接続された前記プロセッサを更に備え、該プロセッサは、前記受光器によって集光される光の特性を少なくとも１つの参照と比較するように構成され、該参照は、以下のもの、すなわち、
所定値、
前記光源によって放出される光の強度、前記プロセッサは該光源に更に接続されている、
過去に前記受光器によって集光された光の強度、
前記プロセッサが接続されている第２の受光器によって集光される光の前記強度、及び
前記光源によって放出される光の波長、前記プロセッサは該光源に更に接続されている、
のうちの少なくとも１つを含み、
前記プロセッサは、前記比較の結果に応じてモニタリング信号を生成するように更に構成されている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記光導波路の前記第１の端部と少なくとも光源又は受光器との間の光路に配置された少なくとも１つの光スプリッターを更に備える、請求項１から３までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記光導波路は少なくとも２つの光路を含み、第１の光路は、前記第１の端部からの光ビームを前記メタライゼーション部の前記表面まで誘導するように構成され、第２の光路は、前記第２の端部からの光ビームを前記光導波路の前記第１の端部まで誘導するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記光導波路の前記第２の端部の末端面の形態と、前記メタライゼーション部の前記表面に対する前記第２の端部の相対位置とは、前記第１の光路から出力される光の大部分が、前記表面の或る領域において反射され、その後、前記第２の光路を辿るように、一体的に選択されている、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記光導波路の前記第１の端部に接続された赤外線受光器を更に備える、請求項１から６までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
メタライゼーション部でコーティングされかつ各々がそれぞれの光導波路に関連付けられている、少なくとも２つのパワー半導体ダイを備え、該光導波路は、各々が第１の端部及び反対側の第２の端部を有し、２つの第１の端部は、光スプリッターを通して共通の光源に接続され、光カプラーを通して共通の受光器に接続されており、前記２つの第２の端部は、それぞれのメタライゼーション部の表面に面して、該表面までのそれぞれの光路及び／又は該表面からのそれぞれの光路を形成するように、永久的に固定されている、請求項１から７までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
Ｎは２以上である、メタライゼーション部でコーティングされたＮ個のパワー半導体ダイと、共通の光導波路とを備え、該光導波路は、Ｎ個の別個の第２の端部を有し、該第２の端部は、各メタライゼーション部のそれぞれの表面に面して、該Ｎ個の表面のうちの第１の表面までの光路を形成し、かつ該Ｎ個の表面のうちの最後の表面からの光路を形成するように、永久的に固定されており、前記光導波路は、前記第２の端部の間に、各々、前記Ｎ個の表面のうちの１つから反射される光ビームを集光し、かつ該光ビームを該Ｎ個の表面のうちの別の表面まで誘導するように構成されている、Ｎ−１個の中間光路を更に含む、請求項１から８までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第２の端部と前記表面との間に組立材料を更に備え、該組立材料の組成及び厚さは、温度が−４０℃〜１５０℃の間に含まれるときに前記光源の波長に対して２ｄＢ／ｍ未満の減衰を有するように選択されている、請求項１から９までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
メタライゼーション部でコーティングされたパワー半導体ダイをモニタリングする方法であって、
前記メタライゼーション部の表面に面して光導波路を永久的に固定することと、
前記表面上で反射された光ビームを、前記光導波路を通して集光することと、
前記集光された光ビームを電気信号に変換することと、
前記電気信号を少なくとも１つの参照と比較することと、
前記比較の結果に応じてモニタリング信号を生成することと、
を含む、方法。
【請求項１２】
前記固定することは、前記表面上で反射される、該表面の粗さによって決まる強度を有する光ビームを集光するように、実施される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記信号を少なくとも１つの参照と比較することは、
前記電気信号をフィルタリングすること及び／又は該電気信号を参照曲線に当てはめること、
を含み、
該方法は、前記信号から、前記パワー半導体ダイの寿命末期及び／又は残りの耐用年数の推定値を外挿することを更に含み、
前記モニタリング信号は、前記推定値に関係するデータを含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体の技術分野に関する。より詳細には、本発明は、こうしたパワー半導体を備えるデバイスと、こうしたデバイスをモニタリングする方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、パワー半導体デバイスでは、１つ又は幾つかのパワー半導体ダイが、機械的に、熱的に、かつ電気的に基板に取り付けられる。ダイの底面は、通常、基板にはんだ付けされるか又は焼結される。上面は、通常、ボンドワイヤに接続される。
【０００３】
こうしたデバイスは、高い熱変化及び高い熱機械応力を受ける。デバイスを構成している異なる部分の組成及び構造が多種多様であるため、亀裂、空隙、剥離及び他の影響が、相互接続部の破損をもたらす。こうした破損は、デバイスの全体的な故障の前に予測するか又は検出することが非常に困難である。
【０００４】
稼働中、こうしたデバイスは、一般に、アクセスすることが困難であり、例えば、取外し不可能な密閉ケーシングに封止されている。特に、多くのデバイスが、列車のような運転中の車両隊全体、又はアクセスすることが困難な風車に装備される場合、各デバイスの検査は経済的に妥当ではない。一般に、セットのデバイス全てに対して、理論的な寿命の期間は、任意に固定されている。それらデバイスは、デバイスの実際の状態に関わらず、有効なかつ予期しない破損の後、又は、任意の寿命の期間を超えたときにのみ、交換される。
【０００５】
場合によっては、電気抵抗及び／又は温度が測定される。温度サイクルを計数することができる。温度サイクルを計数するために、ダイ温度が推定され、温度逸脱が計数される。コフィン−マンソン（Coffin Manson）タイプ等の損傷モデルを用いて、各温度サイクルに関連する損傷を推定することができる。損傷累積則を用いて、各温度逸脱の損傷が合計され、全体的な正常性（health）の状態が推定される。これにより、デバイスが受ける状態に応じて寿命の期間をわずかに適合させることができる。こうした推定は、デバイス自体の状態ではなく、応力計数に基づく。推定は、不正確である。デバイス自体の状態は未知である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電気抵抗を測定するために、構造体の両端の電圧が、高電流で測定される。それにより、積層された半導体の上面の界面のみに関する指標が与えられる。熱抵抗を測定するために、ダイ温度もまた、専用センサを用いて推定される。これにより、底面の界面に対して本質的に関連する指標が提供される。こうした推定は、状態モニタリングに基づく。そうした推定には、電圧及び／又は電流及び／又は温度の正確な測定が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、この状況を改善する。
本出願人は、メタライゼーション部でコーティングされた少なくとも１つのパワー半導体ダイと、２つの反対側の端部を有する少なくとも１つの光導波路とを備え、第１の端部は少なくとも光源及び受光器に接続することができ、第２の端部は、メタライゼーション部の表面に面して、上記表面に向かう光路及び上記表面からの光路を形成するように、永久的に固定されているデバイスを提案する。
【０００８】
こうしたデバイスは、分解作業なしに検査されるように適合されている。例えば保守作業中、デバイスに診断ツールを一時的にはめ込むことができる。デバイスはまた、デバイスの正常性を自動的にモニタリングし、定期的な報告及び／又は欠陥が検出された場合はアラート等の特定の信号を生成するために、パワー半導体に永久的に関連付けられた、組込み診断ツールもまた備えることができる。結果として、障害の前に、かつ実際に必要な場合にのみ、デバイスの交換を含む適合された保守作業を計画することができる。
【０００９】
本発明の別の態様では、本出願人は、メタライゼーション部でコーティングされたパワー半導体ダイをモニタリングする方法であって、
−メタライゼーション部の表面に面して光導波路を永久的に固定することと、
−上記表面上で反射された光ビームを、上記光導波路を通して集光することと、
−集光された光ビームを電気信号に変換することと、
−上記信号を少なくとも１つの参照と比較することと、
−比較の結果に応じてモニタリング信号を生成することと、
を含む、方法を提案する。
【００１０】
デバイス及び／又は方法は、以下の特徴を別個に、又は他の特徴と結合して有することができる。
−デバイスは、ともに光導波路の第１の端部に接続された光源及び受光器を更に備える。少なくとも受光器は、プロセッサに接続することができる。こうしたデバイスは、保守オペレーターによって使用される用意ができている。光源及び受光器の標準ポートを用いて、任意のコマンド機器、例えば、互換性がありかつ更新されたソフトウェアがインストールされているコンピューターを接続することができる。例えば保守中の検査作業がより容易になる。
【００１１】
−デバイスは、少なくとも受光器に接続されたプロセッサを更に含む。このプロセッサは、受光器によって集光される光の特性を少なくとも１つの参照と比較するように構成される。この参照は、以下のもの、すなわち、
−所定値、
−光源によって放出される光の強度、プロセッサはこの光源に更に接続されている、
−過去に受光器によって集光された光の強度、
−プロセッサが接続されている第２の受光器によって集光される光の強度、及び
−光源によって放出される光の波長、プロセッサはこの光源に更に接続されている、
のうちの少なくとも１つを含み、
プロセッサは、比較の結果に応じてモニタリング信号を生成するように更に構成されている。保守作業中のみではなくパワー半導体ダイの通常動作中等、モニタリング信号を放出することができる。例えば、車両又は風車に装備される各デバイスは、遠隔の制御機器にモニタリング信号を自動的に送信することができる。コストのかかる保守作業なしに、列車等の車両隊又は風車隊をモニタリングすることができる。
【００１２】
−デバイスは、光導波路の第１の端部と少なくとも光源又は受光器との間の光路に配置された少なくとも１つの光スプリッターを更に備える。光波を２つの反対の方向に搬送するのに、単一の光導波路、例えば光ファイバーで十分である可能性がある。
【００１３】
−光導波路は少なくとも２つの光路を含む。この第１の光路は、第１の端部からの光ビームをメタライゼーション部の上記表面まで誘導するように構成される。第２の光路は、第２の端部からの光ビームを光導波路の第１の端部まで誘導するように構成されている。光源及び受光器は、遠隔の位置に配置することができる。これにより、デバイスを過密環境に適合させることができる。
【００１４】
−光導波路の第２の端部の末端面の形態と、メタライゼーション部の表面に対する第２の端部の相対位置とは、第１の光路から出力される光の大部分が、表面の或る領域において反射され、その後、第２の光路を辿るように、一体的に選択されている。こうした実施の形態では、初期の表面の状態は、最大の集光された光に対応する。そして、表面状態が劣化しているとき、集光された光の量が低減する。最初に、集光された光の量が最大であるため、測定の精度が向上する。
【００１５】
−デバイスは、光導波路の第１の端部に接続された赤外線受光器を更に備える。こうしたデバイスは、表面の状態及び表面の温度の両方をモニタリングするために使用することができる。追加の機器は不要である。
【００１６】
−デバイスは、メタライゼーション部でコーティングされかつ各々がそれぞれの光導波路に関連付けられている、少なくとも２つのパワー半導体ダイを備え、この光導波路は、各々が第１の端部及び反対側の第２の端部を有する。この２つの第１の端部は、光スプリッターを通して共通の光源に接続され、光カプラーを通して共通の受光器に接続されている。２つの第２の端部は、それぞれのメタライゼーション部の表面に面して、上記表面までのそれぞれの光路及び／又は上記表面からのそれぞれの光路を形成するように、永久的に固定されている。光源及び受光器の単一の対により、複数のパワー半導体ダイをモニタリングすることができる。
【００１７】
−デバイスは、Ｎは２以上である、メタライゼーション部でコーティングされたＮ個のパワー半導体ダイと、共通の光導波路とを備える。この光導波路は、Ｎ個の別個の第２の端部を有し、この第２の端部は、各メタライゼーション部のそれぞれの表面に面して、このＮ個の表面のうちの第１の表面までの光路を形成し、かつこのＮ個の表面のうちの最後の表面からの光路を形成するように、永久的に固定されている。光導波路は、第２の端部の間に、各々、Ｎ個の表面のうちの１つから反射される光ビームを集光し、かつ上記光ビームをこのＮ個の表面のうちの別の表面まで誘導するように構成されている、Ｎ−１個の中間光路を更に含む。光源及び受光器の単一の対により、複数のパワー半導体ダイをモニタリングすることができる。光路（例えば、光ファイバー）の数は制限される。モニタリングは直列モニタリングである。単一のパワー半導体ダイのいかなる欠陥を検出するためにも、単一の光ビームで十分である。
【００１８】
−デバイスは、第２の端部と表面との間に組立材料を更に備える。上記組立材料の組成及び厚さは、温度が−４０℃〜１５０℃の間に含まれるときに光源の波長に対して２ｄＢ／ｍ未満の減衰を有するように選択されている。こうした組立材料により、不透明な充填材料がパワー半導体ダイの上に注入された後も含めて、光導波路の優れた透過を維持することができる。
【００１９】
−方法では、固定は、表面上で反射される、上記表面の粗さによって決まる強度を有する光ビームを集光するように実施される。こうした方法では、光導波路を正確に配置することは不要である。集光された光の初期の量が、参照として考慮される。その後の量のいかなる変化（増加又は減少）も、表面の粗さにおける欠陥、したがって、パワー半導体ダイ（複数の場合もある）の劣化として解釈することができる。
【００２０】
−方法では、信号を少なくとも１つの参照と比較することは、
−電気信号をフィルタリングすること及び／又はこの電気信号を参照曲線に当てはめること、
を含む。この方法は、上記信号から、上記パワー半導体ダイの寿命末期及び／又は残りの耐用年数の推定値を外挿することを更に含む。
モニタリング信号は、上記推定値に関係するデータを含む。これにより、デバイスの交換を含む保守作業を、上記デバイスのいかなる破損の前にも、予め計画することができる。
【００２１】
他の特徴、詳細及び利点について、以下の詳細な説明においてかつ図に示す。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】光導波路の固定の前の本発明によるデバイスの側断面図である。
【図２】光導波路が固定された後の図１のデバイスの詳細図である。
【図３】本発明によるデバイスの詳細概略図である。
【図４】本発明によるデバイスの詳細概略図である。
【図５】本発明によるデバイスの詳細概略図である。
【図６】本発明によるデバイスの詳細概略図である。
【図７】本発明によるデバイスの詳細概略図である。
【図８】本発明によるデバイスの詳細概略図である。
【図９】本発明によるデバイスの詳細概略図である。
【図１０】本発明によるモニタリング手続きのグラフである。
【図１１】本発明によるモニタリング手続きのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図及び以下の詳細な説明は、本質的に、幾つかの厳密な要素を含む。それらは、本発明の理解を促進するために、また、必要な場合は本発明を定義するために使用することができる。
【００２４】
図１は、層の重ね合わせを備えるデバイス１の一例を示す。デバイス１は、底部から頂部まで、ヒートシンク１００、熱界面１０１、ベースプレート１０２、はんだ層１０３、導電層１０４（例えば、銅）、電気絶縁層１０５（例えば、酸化アルミニウムに基づく）、導電層１０６（例えば、銅）、はんだ層４、半導体ダイ３、メタライゼーション層５、及び導電層１０６の一部とメタライゼーション層５との間の電気接続を確実にする導電ワイヤボンド２を備える。
【００２５】
図１に示すデバイス１は、パワーモジュールアセンブリである。半導体ダイ３は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）とすることができる。半導体ダイ３は、ケイ素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び／又は窒化ガリウム（ＧａＮ）から作製することができる。半導体ダイ３は、パワー半導体であり、５０Ｖを超える電圧及び１Ａを超える電流の下で動作するように構成されている。
【００２６】
半導体ダイ３は、少なくともその面のうちの１つが、ここではその上面がメタライズされている。言い換えれば、半導体ダイ３は、メタライゼーション部５でコーティングされている。メタライゼーション部５の上部表面を５１と参照する。メタライゼーション層は、例えば、アルミニウム合金から作製される。こうしたメタライゼーション部５は、１マイクロメートル〜２０マイクロメートルに含まれる厚さを有する。表面５１は、例えば、超音波熱圧着により、ワイヤボンド２を固定するために使用される。（ワイヤボンド２がない）表面５１の空き部分を用いて、少なくとも１つの光導波路７を配置することができる。ここに記載する例では、表面５１の複数のスペースが空いている場合、光導波路７は、一般にデバイス１の最も高温の部分である、半導体ダイ３の中央の可能な限り近くに配置される。結果として、こうした部分は、デバイス１の動作寿命の間、最も過酷な状態に置かれる。
【００２７】
図２は、光導波路７が配置される表面５１の空きスペースを示す。光導波路７は、光ビームを搬送することができる。以下、「光導波路」という用語は、単一の部品、又は合わせて組み立てられた複数の部品を含むセット、又は互いに別個の複数の部品を含むセットを定義するために用いる。例えば、光導波路７は、単一の光ファイバーから構成することができ（図９を参照）、又は、複数の光ファイバーから構成することができる（図２〜図８を参照）。光ファイバーは、特に、例えば１２５℃を超える高温をサポートするように設計されている。例えば、シリカ光ファイバーは、計画された温度が最大３００℃である場合、使用することができ、動作温度下での安定性を向上させることができる。少なくとも１本の光ファイバーのセットを含む光導波路７はまた、可撓性がある。結果として、光導波路７は、表面５１の近くに様々な面積占有率及び／又は様々な容積占有率を有するデバイス１に容易に組み込むことができる。それにより、デバイス１の設計自由度が向上する。
【００２８】
様々な実施の形態において、光ファイバーは、他の手段、例えば、表面５１に対して固定されかつ光を通すことができる材料から作製された中実棒に置き換えることができる。
【００２９】
光導波路７は、２つの反対側の端部７１、７２を有する。第１の端部７１は、光源１１及び／又は受光器１３に接続することができる。第１の端部７１は、表面５１から遠隔である。第２の端部７２は、メタライゼーション部５の表面５１に面して固定されている。動作時、光導波路７は、表面５１までの光路９１及び／又は表面５１からの光路９２を形成する。
【００３０】
例えば、光源１１は、低コストの発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザーダイオードとすることができる。光源１１は、電源及び駆動回路（図には示さず）に関連付けられている。駆動回路は、通常、プロセッサ、例えば、後述するプロセッサ２０によって制御される。プロセッサは、光が生成されるときを判断する。
【００３１】
受光器１３は、集光された光の強度及び／又は波長を測定するように構成されている。光導電セル（例えば、光依存性抵抗）及び光接合素子（例えば、フォトダイオード又はフォトトランジスタ）等、市販の受光器を使用することができる。受光器１３は、光の強度及び／又は波長を示す出力電気信号を生成する。受光器１３は、電源及び信号調節回路（図には示さず）に関連付けられて、アナログデジタル変換器によって取得することができる電圧値を生成する。変換後、信号は、プロセッサ、例えば、後述するプロセッサ２０によって処理される。信号調節回路は、例えば、少なくとも１つの演算増幅器（オペアンプ）を含む。
【００３２】
図２の例では、光導波路７は、２本の光ファイバーを備える。２本の光ファイバーは、例えば、構造的に類似している可能性がある。動作状態では、２本の光ファイバーの各々は、それぞれ、表面５１までの第１の光路９１及び表面５１からの第２の光路９２を形成する。光路９１、９２は、誘導される光の方向により、本質的に異なる。
【００３３】
光導波路７は、半導体ダイ３から遠隔に光源１１及び／又は受光器１３を配置するのを可能にする。光源１１及び受光器１３は、高温及び電磁干渉から保護される。
【００３４】
光導波路７、特に第２の端部７２は、表面５１に対して永久的に位置決めされる。言い換えれば、光導波路７及びメタライゼーション部５の相対位置は、通常の使用状態で、かつデバイス１の動作寿命の間、変更されるようには計画されていない。記載する例では、デバイス１は、第２の端部７２と表面５１との間に組立材料８を更に備える。組立材料８は、例えば、接着剤、樹脂又はゲルを含む。組立材料８の組成及び厚さは、デバイス１の動作寿命の間、特に、高温下にあるとき、高い透過性を維持するように選択される。ここで、「透過性」又は「透明な」という用語は、温度が、通常−４０℃〜１５０℃の動作範囲に含まれるとき、光源１１の波長に対して２ｄＢ／ｍ未満の減衰を有するものとして理解されるべきである。
【００３５】
図２に示す実施の形態では、メタライゼーション部５の上方のスペースは、充填材料９、例えばシリコーンゲルで充填される。こうした場合、光導波路７は、充填材料９に封入される。図２の実施の形態では、充填材料９は、光導波路７の固定の後に追加される。こうした充填材料９は、デバイス１の電子部品と空気、特に酸素（Ｏ２）及び水（Ｈ２Ｏ）との間の接触を低減させる。腐食効果が低減する。充填材料９は、保護ゲルとすることができる。こうしたデバイス１は、充填材料９を収容するケーシングを備えることができる。半導体ダイ３の上部に透明な充填材料９を含む実施の形態では、光導波路７の第２の端部７２は、充填材料９内に配置することができる。接着剤等の組立材料８は、存在せず、充填材料９に置き換えることができる。表面５１の上にコーティングされたフィルムによってもまた、保護を確保することができる。光導波路７は、こうしたフィルム内に埋め込むことができる。成形されたパワーモジュールにおいて、充填材は、不透明な成形化合物である可能性がある。こうした場合、透明な組立材料の使用が好ましい。
【００３６】
様々な実施の形態において、半導体ダイ３は、プリント回路基板（ＰＣＢ）に埋め込まれる。こうした場合、光導波路７もまた、ＰＣＢに埋め込むことができる。デバイス１から、組立材料８及び／又は充填材料９をなくすことができる。
【００３７】
図２の例では、光導波路７はシース１０を備える。光ファイバーは、シース１０内に合わせて挿入される。様々な実施の形態において、シース１０は存在しない。光ファイバーは、剥き出しであり、表面５１に対して直接固定される。
【００３８】
図３の実施の形態では、デバイス１は、スペーサー１２を更に備える。光導波路７は、スペーサー１２を介してパワー半導体ダイ３の上に固定される。スペーサー１２は、光導波路７の第２の端部７２とメタライゼーション部５との間の距離及び相対的な向きを画定する。図３の例において、スペーサー１２は、光ファイバーの末端部分の周囲に螺合されたチップ（マウスピース）の形態を有する。スペーサー１２は、様々な形態を有することができる。例えば、図２のシース１０の末端部分がスペーサーを形成することができる。
【００３９】
図３の実施の形態では、光導波路７の第２の端部７２の末端面の形態と、メタライゼーション部５の表面５１に対する第２の端部７２の相対位置とは、第１の光路９１から出力される光の大部分が、表面５１の領域Ｐにおいて反射され、その後、第２の光路９２を辿るように、一体的に選択される。２本の光ファイバーの各々の末端面は、ベベル形態で設計されている。２本の光ファイバーのベベル形態は、互いに実質的に対称である。動作状態では、第１の光路９１（ここでは、光ファイバーに対応する）から出力される光ビームは、光導波路動作部分の大きさの領域である領域Ｐの方に向けられ、領域Ｐにおいて表面５１にぶつかる。例えば、スネル−デカルトの法則の適用により、当業者は、メタライゼーション部５の表面５１が損傷を受けていない（平滑である）ときに第２の光路９２が可能な限り多くの光を取り込むようにするために、第２の端部７２と表面５１との間の距離Ｄと、屈折角度及び反射角度αと、屈折率と、２つの光路９１、９２の間の距離と、ベベル形態と、スペーサー１２とを、一体的に調整することができる。
【００４０】
様々な実施の形態において、ベベル形態に置き換わるように、又はベベル形態との組合せにより、光反射／屈折部品を用いることができる。
【００４１】
図２及び図３の実施の形態では、表面５１が、平面であり、平滑であり、かつ反射率が高い場合、光ビームの大部分は、第２の光路９２まで反射される。言い換えれば、第１の光路９１から出力される光ビームの大部分は、光導波路７の第２の光路９２における反射によって集光される。
【００４２】
デバイス１の動作寿命の間、表面５１は劣化する。欠陥及び凹凸が現れる。粗さが増大する。反射性及び光沢が低減する。第２の光路９２で集光される光の量が低減する。例えば、光ビームの少なくとも一部が、凹凸にぶつかり、光導波路７から外側に反射される。こうした集光された光の低減を用いて、表面５１の劣化を検出し、それにより、デバイス１の摩損を推定することができる。
【００４３】
様々な実施の形態において、第２の光路９２で集光された光の特性は、少なくとも１つの参照と比較される。以下は、行うことができる比較の例である。
−事前設定された値に対する集光された光の強度、
−例えば、デバイスが新しくかつ（較正ステップ中に得られる）準完全状態にある場合、過去の集光された光の強度に対する集光された光の強度、
−放出された光の強度に対する集光された光の強度、
−参照測定（図５を参照）からの結果である集光された光の強度に対する集光された光の強度、
−事前設定された値に対する集光された光の波長、
−例えば、デバイスが新しくかつ（較正ステップ中に得られる）準完全状態にある場合、過去の集光された光の波長に対する集光された光の波長、
−放出された光の波長に対する集光された光の波長、
−参照測定（図５を参照）からの結果である集光された光の波長に対する集光された光の波長、
−上記比較の組合せ。
【００４４】
比較は、絶対値で行うことができる。例えば、図４の実施の形態に示すように、光導波路７の第２の端部７２は、表面５１の初期状態の反射ビームの大部分を集光するように必ずしも設計されていない。結果として、集光された光の強度は、増大する可能性があり、期間中に表面５１の状態が悪化しているときは低減する可能性もある。変化の２つの方向は、表面５１状態の劣化と解釈することができる。
【００４５】
波長の漸進的な変化をモニタリングすることにより、表面５１の玉虫色効果を検出することができる。こうしたパラメーターは、表面５１状態の劣化を推定するためにも使用することができる。こうした場合、比較は、好ましくは、２つの同様の温度に対して、又は温度変動による波長変動部分を差し引くことにより、行われる。
【００４６】
図５の実施の形態では、デバイス１は、表面５１の参照部分５２を備える。デバイス１は、参照光路９０を更に備える。光導波路７の第２の端部７２の末端面の形態と、メタライゼーション部５の表面５１に対する第２の端部７２の相対位置とは、
−第１の光路９１から出力される光の一部が、表面５１の領域Ｐにおいて反射され、その後、第２の光路９２を辿るように、かつ
−第１の光路９１から出力される光の別の部分が、参照部分５２において反射され、その後、参照光路９０を辿るように、
一体的に選択される。
【００４７】
例えば、第２の光路９２及び参照光路９０を形成している光ファイバーの各々の末端面は、ベベル形態で設計されている。２本の光ファイバーのベベル形態は、互いに実質的に対称である。第１の光路９１を形成する光ファイバーの末端面は、二重ベベル形態（又は、先細形態、又は円錐形態）で設計されている。様々な実施の形態では、第１の光路９１の末端部分に、光ビームを、領域Ｐ及び参照部分５２にそれぞれ向けられる２つの光ビームに分割する光スプリッターが備えられる。
【００４８】
参照部分５２は、期間中にかつ計画された動作状態下にあるとき、安定した表面特性を有するように、選択され、又は特に設計されている。参照部分５２は、半導体ダイ３の別の領域、又はダイレクトボンド基板（ＤＢＣ）等、半導体ダイが取り付けられる領域を含むことができる。
【００４９】
第１の端部７１は、第２の受光器１５に接続することができる。第２の受光器１５によって集光される光の特性は、上述したように参照値として使用することができる。例えば、第２の受光器１５から発せられる少なくとも１つの値を、受光器１３から発せられる対応する値から減ずることができる。これにより、アナログ回路、発光体、受光体及び光導波路の劣化等、デバイス１の不可欠部分の摩損以外のパラメーターによる測定変動を補償することができる。正常性推定の精度が向上する。
【００５０】
図６は、付加光路９２’を更に備えるデバイス１の一実施の形態を示す。付加光路９２’は、例えば、光スプリッターを用いることにより、第２光路９２から導出される。様々な実施の形態において、専用付加光路全体を光導波路７に、第２の光路９２から独立して追加することができる。付加光路９２’の第１の端部７１は、赤外線受光器１７に接続することができる。光源１１が光を放出していないとき等、デバイス１、特に表面５１の温度を推定することができる。
【００５１】
赤外線受光器１７は、その分光感度が少なくとも幾つかの赤外波長（０．７μｍ〜２０μｍ）をカバーすると想定して、第１の受光器１３と同じとすることができる。温度過上昇現象を検出するために、温度を連続的にモニタリングすることができる。こうした現象を用いて、負荷を低減させるように動作の停止又は特定の措置を引き起こすことができる。温度サイクルを計数し、及び／又は使用者に通知することもできる。
【００５２】
図７は、並列モニタリングの実施の形態を示す。デバイス１は、メタライゼーション部５ａ、５ｂによってコーティングされかつ各々がそれぞれの光導波路７ａ、７ｂに関連付けられている、少なくとも２つのパワー半導体ダイ３ａ、３ｂを備える。
【００５３】
第１のパワー半導体ダイ３ａ及び第１の光導波路７ａを含む第１のアセンブリ、及び／又は第２のパワー半導体ダイ３ｂ及び第２の光導波路７ｂを含む第２のアセンブリは、互いに同様とすることができ、及び／又は、実施の形態及び上述した様々な実施の形態のうちの少なくとも１つと同様とすることができる。
【００５４】
各光導波路７ａ、７ｂは、第１の端部と反対側の第２の端部とを有する。２つの第１の端部は、光スプリッター３１を通して共通の光源１１に接続されている。２つの第１の端部はまた、光カプラー３３を通して共通の受光器１３にも接続されている。光源１１は、２つの第１の光路９１ａ、９１ｂに向かって光を放出する。受光器１３は、２つの第２の光路９２ａ、９２ｂから光を受け取る。２つの第２の端部は、それぞれのメタライゼーション部５ａ、５ｂの対応する表面５１ａ、５１ｂに面して永久的に固定されている。
【００５５】
図７は、２つのアセンブリを備えたデバイス１を示す。様々な実施の形態において、デバイス１は、３つ以上のアセンブリを備える。したがって、幾つかのパワー半導体ダイを一体的にモニタリングすることができ、光源及び受光体部分は相互的にされる。光スプリッター３１は、光ビームを異なる光路９１ａ、９１ｂ、９２ａ、９２ｂに分割する／分けるように構成されている。分割は、一時的とすることができる。例えば、光ビームは、或る持続時間、例えば１秒間、一方の光路９１ａ、９２ａに送出され、その後、或る持続時間、例えば１秒間、他方の光路９１ｂ、９２ｂに切り替えられる。分割は、波長に関連することができる。例えば、３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長は、一方の光路９１ａ、９２ａに送出され、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長は、他方の光路９１ｂ、９２ｂに送出される。分割は、強度に関連することができ、例えば、強度の半分は一方の光路９１ａ、９２ａに入り、他の半分は、他方の光路９１ｂ、９２ｂに入る。
【００５６】
光カプラー３３は、異なる光路９２ａ、９２ｂからの入ってくる光ビームを再編成する／統合する。例えば、光カプラー３３は、受光側の光路９２ａ、９２ｂの全てが単一の受光器１３に向かって誘導されるのを可能にする機械的固定具である。
【００５７】
図８は、直列のモニタリングの一実施の形態を示す。デバイス１は、メタライゼーション部５ａ、５ｂでコーティングされた２つのパワー半導体ダイ３ａ、３ｂと共通の光導波路７とを備える。光導波路７は、単一の第１の端部７１を有する。光導波路７は、半導体ダイ３ａ、３ｂと同じ数（図８の例では２つ）の別個の第２の端部７２ａ、７２ｂを有する。第２の端部７２ａ、７２ｂは、各メタライゼーション部５ａ、５ｂのそれぞれの表面５１ａ、５１ｂに面して永久的に固定されている。第１の光路９１が、第１の端部７１から２つの表面５１ａ、５１ｂのうちの第１の表面５１ａまで形成されている。第２の光路９２が、２つの表面５１ａ、５１ｂのうちの第２の表面５１ｂから第１の端部７１まで形成されている。光導波路７は、２つの第２の端部７２ａ、７２ｂの間に中間光路９３を更に含む。中間光路９３は、第１の表面５１ａから反射される光ビームを集光するように、かつ上記光ビームを他方の表面５１ｂまで誘導するように構成されている。
【００５８】
図９は、光導波路７が、第１の光路９１及び第２の光路９２両方を形成する単一の光ファイバーを備える、デバイス１の一実施の形態を示す。第１の端部７１と、一対の光源１１及び受光器１３との間に、ビームスプリッター３１が挿入されている。ビームスプリッター３１は、半導体ダイ３に送出されるビームと半導体ダイ３から受け取られるビームとを分離する。ビームスプリッター３１は、例えば、半透明ミラーを備える。放出される光ビームの透過部分は、光導波路７により表面５１まで伝送される。この光ビームの一部は、表面５１によって反射され、光導波路７（ここでは、同じ光ファイバー）によって取り込まれる。この光ビームは、ビームスプリッター３１に送出され、その一部は、受光器１３に向かって反射される。
【００５９】
ここで、デバイス１は、任意選択的であるミラー４０を更に備える。ビームスプリッター３１によって反射される放出された光の部分は、その後、ミラー４０によって反射され、ビームスプリッター３１に戻され、そこで、透過部分はまた、半導体ダイ３によって反射される光ビームに対応する反射部分とともに、受光器１３に送出される。単色光源（例えば、レーザー）の場合、受光器１３により、２つの光ビームの間の干渉（例えば、部分的相加又は相減）を取り込むことができる。２つの光ビームがπの位相シフトを有する場合、受け取られる光の強度は、反射光に対して反比例し、したがって、表面５１の劣化の尺度とみなすことができる。これは、コンピューター手段によって確保される前処理の前に相違をもたらす代替的な光学方法である。
【００６０】
上述した実施の形態では、光導波路７の第１の端部７１は、光源１１、受光器１３、第２の受光器１５、赤外線受光器１７、光／ビームスプリッター３１及び／又は光カプラー３３に接続することができる。こうした素子は、少なくとも１つのプロセッサ２０、又は一般的には後述する制御ユニットに動作可能に結合することができる。
【００６１】
デバイス１にこうした素子がない場合がある。例えば、デバイス１は、第１のステップで製造し、光源１１、受光器１３、第２の受光器１５、赤外線受光器１７、光／ビームスプリッター３１、光カプラー３３及び／又はプロセッサ２０なしに提供することができる。例えば、第１の端部７１は、自由であり、又はキャップによって保護される。こうした場合、第１の端部７１は、デバイス１の「診断プラグ」とみなすことができる。通常動作中もまた、デバイス１に列挙した素子がない場合がある。列挙した素子は、それらが使用されるとき、例えば、検査／保守作業中にのみ、第１の端部７１に一時的にはめ込まれる。
【００６２】
他の実施の形態では、デバイス１は、列挙した素子のうちの少なくとも１つを更に備える。デバイス１は、少なくとも１つの光導波路７が備えられたパワー半導体モジュールと、光導波路７に組み付けられる用意ができているはめ込み可能な素子のセットとを含むアセンブリを有するキットとして提供することができる。デバイス１はまた、少なくとも１つの光導波路７が備えられたパワー半導体モジュールと、光導波路７にすでに組み付けられている、例えば、光導波路７に最終的に取り付けられる素子のセットとを含むアセンブリとして提供することもできる。例えば、デバイス１の動作中、プロセッサ２０が他の素子に連続的に接続される場合、特定の保守作業を待つことなく、モニタリングを連続的に又は不定期に行うことができる。デバイス１の通常動作中等、出力信号２２をユーザーに向かって発することができる。出力信号２２は、デバイス１の状態をモニタリングするためのルーチン信号、及び／又は欠陥が検出されたときにのみ送信されるアラート信号のようなデータを含むことができる。
【００６３】
メタライゼーション部５でコーティングされたパワー半導体ダイ３をモニタリングする方法は、
ａ）メタライゼーション部５の表面５１、５１ａ、５１ｂに面して光導波路７、７ａ、７ｂを永久的に固定することと、
ｂ）上記表面５１、５１ａ、５１ｂ上で反射された光ビームを、上記光導波路７、７ａ、７ｂを通して集光することと、
ｃ）集光された光ビームを電気信号に変換することと、
ｄ）上記信号を少なくとも１つの参照と比較することと、
ｅ）比較の結果に応じてモニタリング信号２２を生成することと、
を含むことができる。
【００６４】
ステップｃ）は、上述したように受光器１３によって行うことができ、電気信号はプロセッサ２０に送信される。プロセッサ２０、又は他の任意の適合されたコンピューターリソースは、例えば、上述したような比較に基づいて、比較ステップｄ）及び／又は信号生成ステップｅ）を確実にするように構成することができる。
【００６５】
図１０及び図１１は、こうしたモニタリングプロセスに基づくグラフの例を示す。例では、集光された光の強度が、時間の関数で表されている。ｔｈ、ｔｈ１及びｔｈ２は、参照値である。
【００６６】
幾つかの実施の形態では、プロセッサ２０は、状態モニタリングが実現される瞬間を決定するように構成されている。１つの例は、毎日、毎週、毎年、又はシステムの各起動時である。プロセッサ２０は、光源１１に対して、光を発生させるように信号を送信する。プロセッサ２０は、ここでは、アナログデジタル変換器の介在により、受光器１３から発せられる信号を受信する。この信号は、例えば、平均するか又は利得を与えることにより、前処理される。前処理済み信号は、任意選択的に、プロセッサ２０に関連付けられたメモリに記憶される。プロセッサ２０は、デバイス１の正常性の状態を推定するために、記憶された値を使用する。プロセッサ２０は、出力信号２２を送信する。出力信号２２は、ユーザーに又は別のシステムに送信することができる。出力信号２２は、デバイス１の正常性の状態を示す警報／アラート信号とすることができる。
【００６７】
例えば、第１の記憶された値（すなわち、初期化ステップにおいて受光器１３によって受信された信号に対応する初期の前処理済みの値）を用いて、少なくとも１つの閾値（図１０の例では２つの閾値ｔｈ１及びｔｈ２、図１１の例では１つの閾値ｔｈ）が定義される。そして、後に（動作寿命の間に）取得された値は、これらの閾値（又は参照値）と比較される。図１０の例では、測定値がｔｈ１より低い場合、第１の損傷情報が生成される。測定値がｔｈ２より低い場合、第２の損傷情報が生成される。損傷情報は、正常性の状態（すなわち、劣化レベル）を示す。損傷情報はまた、メタライゼーション部の抵抗率の増大（それ自体がエネルギースパイクをフィルタリングする能力を低下させる）により、短絡能力が或る特定のレベルまで低下することも示すことができる。この情報は、例えば、より高水準のプロセッサに提供される。損傷情報を他の情報と結合し、保守／交換の計画、又はデバイス１にかけられる応力を低減させるモードでのシステムの動作の変更等、措置を講じるために使用することができる。
【００６８】
図１１の例では、記憶された測定値を用いて、値が、デバイス１の推定された寿命末期（ｅｏｌ）に対応する閾値ｔｈより低くなる前の残りの時間を推定することができる。すでに計画された保守作業中に、デバイス１の寿命末期の前のデバイス１の交換を計画することができる。緊急のかつ特定の介入を回避することができる。
【００６９】
明細書における実施の形態に関連する特徴は、互いに組み合わせることができる。本発明は、単に例である、本明細書に記載したデバイス、アセンブリ及びプロセスに限定されない。本発明は、当業者が以下の請求項の範囲内で構想するであろう全ての代替形態を包含する。
【図１】
2019537009.tif 000003
【図２】
2019537009.tif 000004
【図３】
2019537009.tif 000005
【図４】
2019537009.tif 000006
【図５】
2019537009.tif 000007
【図６】
2019537009.tif 000008
【図７】
2019537009.tif 000009
【図８】
2019537009.tif 000010
【図９】
2019537009.tif 000011
【図１０】
2019537009.tif 000012
【図１１】
2019537009.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月13日(2019.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
図７は、２つのアセンブリを備えたデバイス１を示す。様々な実施の形態において、デバイス１は、３つ以上のアセンブリを備える。したがって、幾つかのパワー半導体ダイを一体的にモニタリングすることができ、光源及び受光体部分は相互的にされる。光スプリッター３１は、光ビームを異なる光路９１ａ、９１ｂに分割するまたは分けるように構成されている。分割は、一時的とすることができる。例えば、光ビームは、或る持続時間、例えば１秒間、一方の光路９１ａに送出され、その後、或る持続時間、例えば１秒間、他方の光路９１ｂに切り替えられる。分割は、波長に関連することができる。例えば、３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長は、一方の光路９１ａに送出され、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長は、他方の光路９１ｂに送出される。分割は、強度に関連することができ、例えば、強度の半分は一方の光路９１ａに入り、他の半分は、他方の光路９１ｂに入る。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタライゼーション部でコーティングされたパワー半導体ダイをモニタリングするデバイスであって、
メタライゼーション部でコーティングされた少なくとも１つのパワー半導体ダイと、２つの反対側の端部を有する少なくとも１つの光導波路とを備え、第１の端部は少なくとも光源及び受光器に接続することができ、第２の端部は、前記メタライゼーション部の表面に面して、該表面に向かう光路及び該表面からの光路を形成するように、永久的に固定されている、デバイス。
【請求項２】
ともに前記光導波路の前記第１の端部に接続された光源及び受光器を更に備え、少なくとも前記受光器は、プロセッサに接続することができる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
少なくとも前記受光器に接続された前記プロセッサを更に備え、該プロセッサは、前記受光器によって集光される光の特性を少なくとも１つの参照と比較するように構成され、該参照は、以下のもの、すなわち、
所定値、
前記光源によって放出される光の強度、前記プロセッサは該光源に更に接続されている、
過去に前記受光器によって集光された光の強度、
前記プロセッサが接続されている第２の受光器によって集光される光の前記強度、及び
前記光源によって放出される光の波長、前記プロセッサは該光源に更に接続されている、
のうちの少なくとも１つを含み、
前記プロセッサは、前記比較の結果に応じてモニタリング信号を生成するように更に構成されている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記光導波路の前記第１の端部と少なくとも光源又は受光器との間の光路に配置された少なくとも１つの光スプリッターを更に備える、請求項１から３までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記光導波路は少なくとも２つの光路を含み、第１の光路は、前記第１の端部からの光ビームを前記メタライゼーション部の前記表面まで誘導するように構成され、第２の光路は、前記第２の端部からの光ビームを前記光導波路の前記第１の端部まで誘導するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記光導波路の前記第２の端部の末端面の形態と、前記メタライゼーション部の前記表面に対する前記第２の端部の相対位置とは、前記第１の光路から出力される光の大部分が、前記表面の或る領域において反射され、その後、前記第２の光路を辿るように、一体的に選択されている、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記光導波路の前記第１の端部に接続された赤外線受光器を更に備える、請求項１から６までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
メタライゼーション部でコーティングされかつ各々がそれぞれの光導波路に関連付けられている、少なくとも２つのパワー半導体ダイを備え、該光導波路は、各々が第１の端部及び反対側の第２の端部を有し、２つの第１の端部は、光スプリッターを通して共通の光源に接続され、光カプラーを通して共通の受光器に接続されており、前記２つの第２の端部は、それぞれのメタライゼーション部の表面に面して、該表面までのそれぞれの光路及び該表面からのそれぞれの光路の少なくとも一方を形成するように、永久的に固定されている、請求項１から７までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
Ｎは２以上である、メタライゼーション部でコーティングされたＮ個のパワー半導体ダイと、共通の光導波路とを備え、該光導波路は、Ｎ個の別個の第２の端部を有し、該第２の端部は、各メタライゼーション部のそれぞれの表面に面して、該Ｎ個の表面のうちの第１の表面までの光路を形成し、かつ該Ｎ個の表面のうちの最後の表面からの光路を形成するように、永久的に固定されており、前記光導波路は、前記第２の端部の間に、各々、前記Ｎ個の表面のうちの１つから反射される光ビームを集光し、かつ該光ビームを該Ｎ個の表面のうちの別の表面まで誘導するように構成されている、Ｎ−１個の中間光路を更に含む、請求項１から８までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第２の端部と前記表面との間に組立材料を更に備え、該組立材料の組成及び厚さは、温度が−４０℃〜１５０℃の間に含まれるときに前記光源の波長に対して２ｄＢ／ｍ未満の減衰を有するように選択されている、請求項１から９までのいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
メタライゼーション部でコーティングされたパワー半導体ダイをモニタリングする方法であって、
前記メタライゼーション部の表面に面して光導波路を永久的に固定することと、
前記表面上で反射された光ビームを、前記光導波路を通して集光することと、
前記集光された光ビームを電気信号に変換することと、
前記電気信号を少なくとも１つの参照と比較することと、
前記比較の結果に応じてモニタリング信号を生成することと、
を含む、方法。
【請求項１２】
前記固定することは、前記表面上で反射される、該表面の粗さによって決まる強度を有する光ビームを集光するように、実施される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記信号を少なくとも１つの参照と比較することは、
前記電気信号をフィルタリングすること及び該電気信号を参照曲線に当てはめることの少なくとも一方、
を含み、
該方法は、前記信号から、前記パワー半導体ダイの寿命末期及び残りの耐用年数の少なくとも一方の推定値を外挿することを更に含み、
前記モニタリング信号は、前記推定値に関係するデータを含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
【国際調査報告】
2019537009.tif 000014
2019537009.tif 000015
2019537009.tif 000016